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建築研究簡訊第111期

  • 日期:110-04-25
主題報導李其忠
直交集成板(CLT)構造之防火設計

       近年國際上木構造應用發展迅速,如「直交集成板(Cross Laminated Timber,以下簡稱CLT)」應用於建築結構材,其為良好的綠建材之一,已在歐洲、北美與日本等國家有突破傳統木構造建築物規模及形式案例,並積極研訂CLT產品標準及適用之建築規範。我國於108年11月14日公布國家標準CNS 16114 「直交集成板」,然國內木構造建築設計及施工規範仍尚未將其納入,且CLT構造防火之性能部分仍須以建築新技術新工法新設備及新材料認可之機制逐一產品認可,使得其運用受限。為能降低CLT構造防火設計使用之障礙,並確保CLT構造建築物防火安全,爰針對此課題進行研究,以提供國內建築管理之參考依據。

       本研究進行3組CLT的 1小時防火時效實驗,分別為2組CLT樓板(日本扁柏及北美花旗松)及1組CLT牆板實驗(國產柳杉)。日本扁柏及北美花旗松為當地常用材種,國產柳杉受限於製作長度僅為3m,無法進行樓板試驗,因此僅進行承重牆試驗,藉以探討國產柳杉之實用可行性。本案試體規劃及實驗條件,如表1所示,其實驗結果,如表2所示。3組CLT試體均具有1小時防火時效,由於CLT為可燃材料,實驗過程中被引燃增加平均爐內溫度,但超過許可差時間未達10分鐘。2組CLT樓板最大撓曲量分別為42.0mm(日本扁柏) 及42.9mm(北美花旗松)未超過標準容許值,CLT牆板之最大軸向變形量4.7 mm亦未超過標準容許值,3組CLT火害實驗後照片,如圖1至4所示。

       本研究亦探討不同材種CLT之炭化深度,透過預先埋設在不同深度測溫計之溫度曲線中,可發現日本扁柏CLT之曝火面第1層測溫點大約在18分鐘左右有較明顯的升溫趨勢,顯示此時測溫計已經受到爐內溫度之影響,炭化已經達到此深度,因此概算炭化速率約為0.8mm/min;而北美花旗松CLT之曝火面第1層測溫線大約在22分鐘左右有較明顯的升溫趨勢,概算炭化速率約為0.68mm/min。另外,根據實驗結果,日本扁柏CLT樓板及北美花旗松CLT樓板之曝火面第2層均無明顯升溫現象,顯示火害所造成炭化層並未完全燒燼曝火面第2層。兩組樓板CLT之炭化深度經量測觀察,均可發現在CLT板搭接處有較大的炭化深度產生。由於搭接處無法如同板本身緊密接合,因此會有火源竄入並造成較深的炭化層。國產柳杉CLT牆板由於無樓板般較大之撓曲變形產生,搭接處並沒有無法密合之影響,因此搭接及非搭接部分之炭化深度無明顯差異。國產柳杉CLT之平均炭化深度約為4.1cm~5.1cm左右,平均炭化速率介0.68~0.85mm/min,較現行規範建議之底部炭化深度4.68cm為大。

        CLT由於集成元組成方式與集成材(Glue Laminated Timber, GLT)不同,在強軸集成元完全燃燒後會有強度銳減之現象,係因弱軸集成元僅提供炭化保護功能而不提供強度,如僅用炭化深度決定構件是否可以承受預定載重的方式可能較不恰當。因此,本研究建議,將本次實驗之試體(集成元層數、厚度固定)定義為制式工法,業界如採用相同類型之CLT板進行設計時,可依本研究提供之炭化深度進行設計。

表1試體及實驗規劃

 

日本扁柏樓板試體

北美花旗松樓板試體

國產柳杉承重牆試體

試體尺寸

4400×3000×150mm

4400×3000×180mm

3000×3000×180mm

試體組成

層數5層、每層厚度30 mm、5層皆為日本扁柏

層數5層、每層厚度36mm、5層皆為北美花旗松

層數5層、每層厚度36mm、5層皆為國產柳杉

加熱時間

1小時

1小時

1小時

實驗加載

300kgf/m2

300kgf/m2

23.6tf

 

表2實驗結果

 

日本扁柏樓板試體

北美花旗松樓板試體

國產柳杉承重牆試體

防火時效

1小時

1小時

1小時

加熱爐溫比較

(詳圖1)

(詳圖1)

(詳圖1)

試體變形量

最大撓曲量42.0mm(詳圖2)

最大撓曲量42.9mm

(詳圖2)

最大軸向變形量4.7 mm(詳圖3)

 

 

圖1 試體實驗過程升溫曲線

圖2 樓板試體實驗過程撓曲量變化曲線

圖3 國產柳杉承重牆試體實驗過程軸向變形量變化曲線

圖4  CLT試體火害後照片